变电站微机自动化系统的集成

电力系统的综合自动化控制系统应具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特点。随着计算机技术的迅速发展，电力系统的综合自动化控制系统的微机化进程越来越快，微机化将是我国电力系统综合自动化控制系统的发展方向。本文所介绍的分层分布离散式控制方式的变电站综合自动化控制系统是一种集控制、保护、测量及远动等功能为一体的微机控制系统。相对于传统的以仪表框、控制台中央信号屏等组成的控制系统，它是一种以计算机为主的、将变电站(所)的二次设备(包括测量、信号、控制、保护、自动装置和远动)经过功能组合而形成的标准化、模块化、网络化和功能化的现代化计算机综合控制系统，适应了现代生产发展和能源管理的要求。下面就该综合控制系统中的几个主要部分的设计进行分析和介绍。

1 系统结构与控制方案

(1)系统结构

系统应能对变电站的控制、保护、测量、信号传递、远动等功能实现综合自动控制和管理。由于站内强磁场干扰大，测量、控制、保护点多，谐波干扰及无线电干扰严重等原因，造成系统控制、测量和保护的综合难度较大。基于上述原因我们采用国际上z为流行的分层分布离散式控制方式，控制和保护单元均由立的CPU构成，采用一对一结构，每一个回路由立的CPU完成，相互之间又采用站内通讯网联接在一起，可构成一个变电站集控制、保护、测量、信号传送和远动为一体的综合自动化系统。我们在实际应用中采用的是一个由多层网络组成的分层分布式综合自动化系统。整个系统从上到下依次可分为变电站层管理站、计算机网络、间隔层管理站、工业级实时网络、现场监控、保护和远动控制单元。系统结构如图 1所示。

在整个系统中z上层是由2～3台变电站层管理站和2～4台间隔层管理站组成，二者之间通过Novell网连接。第二层由2～4台间隔层管理站和20～40台单片机系统(或少量的PLC)构成，它们之间通过串行通讯口网连接。z下层网络是由单片机、少量的PLC和继电保护装置等组件构成。

整个系统在硬件配置上采用了分层分布式结构，在软件上采用了面向对象的程序设计方法。因此整个系统组态灵活、人机界面友好、功能齐全、使用方便及维护容易，满足了工程运用的要求。

(2)系统控制方案

根据电力系统的运行要求，对于110kV变电站我们采用微机远动、监控和微机保护分离的综合自动化控制的方案。这样设计主要是从可靠性考虑，110kV设备一般是液压操作机构，其监控及保护部分较复杂，将远动监控与保护分开是z佳的方案。同时两者之间又通过Novell网相连，每一个间隔均由一套微机远动、监控装置和一套微机保护装置构成，而间隔层采用RS485或RS422总线网，其系统结构框图如图2所示。对于35kV、10kV变电站综合自动化控制系统一般可采用两种不同的设计方案。

方案一：采用微机远动、监控和微机保护分离式的结构型式，即类似110kV变电站的控制系统设计结构，如图2示。

方案二：采用微机远动、监控和微机保护合一的结构型式，其特点是可以减少现场二次电缆并简化接线，同时，由于35kV或10kV线路可靠性要求比110kV线路要低，按方案二把部分合并成一个微机单元，技术上是可行的，且节省了大量投资。其系统结构与框图2基本相似。只将图2中间隔层、保护管理机、远动监控管理机及现场控制单元合并成一套即可。

2 系统的实现

(1)系统的主要硬件设备

1)微机远动监控系统

该系统由现场远动监控系统和Novell网上的后台机(间隔层管理机)构成。现场远动监控系统由十个回路的微机远动监控单元组成，每一个单元就是一套80C196单片机系统，它包 含有CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。它完成现场设备的监控远动功能。其控制方式采用一对一原则或二对一原则，每一个回路由一个或两个现场远动监控单元组成，每个单元都是立的，任何一个单元出现故障或进行检修都不会影响其他单元的正常工作。其主要功能如下：a全部电量的测量功能；b负荷监控功能；c通讯功能；d定值参数的远方整定功能。而Novell网上的后台机完成数据、图表、电量参数的显示与记录；电量变化过程曲线、趋势分析、人工置数及事故、事件、顺序记录、报警等功能。

2)现场微机保护单元

该系统中间隔层微机保护装置是由若干个微机保护单元构成，每一个单元也是一套80C196单片机系统，它包含CPU、开关量入、开关量出、A/D转换、通讯及驱动输出等电路。这些单元除与站内通讯网进行通讯以外，还实时监控电气设备的运行情况，一旦发生异常，保护电路立即动作，同时将保护动作情况送到站内通讯网，每台间隔层管理站可装十个微机保护单元。

①110kV线路微机保护单元

根据电力系统对可靠性的要求，对于每一110kV线路采用两个保护单元，按二对一原则配置，即110kV线路微机保护是双机线路微机保护，另外，还有一套微机远动监控单元。可见，对于每一110kV线路，是由三套微机单元构成，即实现了三对一配置。其主要完成如下功能：a三段式相间距离保护；b四段式方向零序电流保护；c三相一次重合闸。

②双卷变微机保护单元

系统中采用了两套双卷变微机保护装置，每套又由三个保护单元构成，其内部也是由80C196 单片机系统组成，同上述微机保护单元内部硬件结构完全相同，只是保护软件不同。为了可靠地保护主变压器，系统中采用了多CPU方案配置，即差动保护单元、高压侧过流保护单元、低压侧过流保护单元分别由三个立的保护单元来完成，三套保护单元相对立、互不影响、并联运行。因此构成高可靠性的主变微机保护。其主要功能如下：a差动电流速断保护；b110kV中性点零序电压起动的Ⅱ段式零序电流保护；c110kV负序电压或低电压起动的过流保护；d低压侧负序电压或低电压起动的过流保护；e非电量保护；f主变高、低电 压侧负荷保护；g间隙零序电流保护等。

3)35kV、10kV线路及电容器微机保护单元

本系统中，10kV、35kV线路微机保护单元的硬件结构与110kV线路及主变保护单元硬件结构基本相同，但电路简化了，同样由80C196单片机系统组成，其主要功能如下：a10kV、35k V线路保护；b电容器保护。

(2)系统主要软件

变电站层整个软件采用树形连接的模块式结构形式。均在Windows9X多窗口的环境下工作，通过菜单、对话框和鼠标器进行操作，摆脱了对键盘的依赖。同时突破了DOS操作系统对内存的限制，使监控功能、通讯方式和人机界面等都发生了显著的变化。多任务管理使多个应用程序可以同时运行并能有效地共享系统资源。操作者通过多窗口图形界面可同时监视几幅画面，不同的画面之间可任意切换、平移及滚动。系统进入正常运行后，用户使用鼠标器即可完成人机对话工作，而且图形生成软件包和报表生成软件包可以方便地生成自己的系统画面和表格。

间隔层中采用的80C196系列单片机系统，软件设计主要包括监控软件、控制软件、保护软件和通讯软件，程序固化于EPROM中。

(3)通讯方案

根据变电站的特殊要求和控制特点，变电站与调度端、上级站的通讯可采用载波、微波、无线扩频或通过Modle加电话线等方式进行；而站内通讯网采用分层分布控制方式。

1)站内通讯网的结构形式

根据变电站一次设备的情况可把站内通讯网分为两层——变电站层和间隔层。

①间隔层通常采用串行口进行通讯。如采用RS485或RS422通讯接口构成的通信。间隔层一般由单片机来完成监控、远动和保护任务，层内单片机不断地自动完成现场的过程控制和保护功能，就地能完成的功能尽量不上网，并能就地显示出各单元运行参数和完成过程控制。这样设计的优点在于，即使通讯网出故障中断，单片机保护装置仍能可靠地正常运行。

②变电站层采用Novell网，网上可根据需要配置多台主机，一般配置有7台左右的PC主机，分别为高压设备监控机、中压设备监控机、远动管理机及保护管理机、远动工作站、工程师站。其中远动工作站作为综合自动化装置的主机，为了保证其可靠性，我们采用两台586PC机( 一台工作，一台备用)，可自动切换，满足双通道的要求。而工程师站可通过一台Modle和电话线与站外微机通讯，可作为保护定值、程序及参数的远方修改工作机。

③为保证通讯网发生故障时，单片机仍能正常运行，单片机在通讯网上的接口处，我们还设计有自动脱网电路。

站内通讯网采用Novell网和RS485和RS422组成的混合式总线网可以说是一种优势互补，恰到好处的组合结构，由于Novell通讯网是计算机应用领域中十分普及的网络，它作为变电站层通讯网能快速地完成大量信息交换，组态灵活，硬件十分通用。而间隔层采用RS485或RS422总线网，对于接点数量不多，相互之间通讯信息量不大的场合是十分理想的。若也采用Nove ll网则成本太高，造成资源浪费。所以，采用两种网络组网，充分发挥各自优点是一种优势互补的组合。

2)通讯协议

根据变电站自动控制系统的特点，站内通讯网采用带碰撞检测的载波监听多路访问技术。它是一种随机争用媒体方式。通讯协议符合IEEE8023标准。因为站内所有接点均连在总线式通讯网上，并不断地监听总线是否有空闲，一旦有空闲，各个接点争相发送，这样就发生了碰撞问题。为了减少碰撞，可将各接点从检测出总线空闲到发送数据规定不同延时，而这一延时可以是随机的，也可以人为设定。对于重要的接点采用优先发送的原则，这样当一个接点发送完毕，另外的接点又争相发送，所有接点均采用“边听边讲”争用总线方式，使总线上的通讯效率大为提高，并更具有灵活性。网上增、减接点也非常方便，任一接点退出都不影响其他接点的通讯。

3 结束语

变电站是电力系统中一类典型的过程对象，具有强磁场、多干扰、环境复杂、全天候与实时性等特点。在变电站综合自动控制中使用本文所述多级多层微机控制系统方案，结合先进的控制方法和软件将会达到良好的性能、品质。